Basico de protocolos_2009
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� Interoperabilidade� Confiabilidade (detecção e correção de erros)� Resiliência (falhas topológicas)� 1. IEC 60870-101, 103, 104� 2. DNP3� 3. Modbus� 4. IEC 61850� 5. Foundation Fieldbus� 6. Profibus� 7. Devicenet� 8. Interbus� 9. ASI� 10. Hart
Protocolos de ComunicaçãoRegras que governam a comunicação entre dispositivos eletrônicos
Camada FísicaEthernet
Camada FísicaSerial
TCP/IPInternet
Protocolos de ComunicaçãoRegras que governam a comunicação entre dispositivos eletrônicos
Cada Tecnologia a seu tempo e com sua função1. 4 a 20 mA, analógicos.
1.1. Aquisição dos Dados – TPs, TCs, Transdutores – circuitos de corrente 4 a 20 mApara informações analógicas. Par de fios p/ posição aberto/fechado.1.2. Atuações no processo - Circuitos de corrente e contatos aberto/fechado.
2. Barramentos de Campo – “Proprietários” ou “Abertos”. Profibus, Foundation.
2.1. Comunicação - 31,25 KHZ com par de fios (barramento), níveis de tensão e corrente no barramento (casamento de impedância, reflexão de ondas eletromagnéticas, atenuação, ruído).2.2.Critérios de alimentação - Segurança intrínseca, áreas classificadas. FISCO FieldbusIntrinsicaly Safe Concepty.2.3. Mensagens - estrutura e tamanho, para atender aos requisitos de tempo dos processos industriais – milisegundos ). ( HSE – 10/100 Megabits/s). Macrocycle2.4. Comunicação Síncrona. 2.5. Outros – DeviceNet, ASI, Interbus, Hart.
3. Protocolos Seriais – Comunicações Remotas, “100Km” ou o limite do link de comunicação. Comunicação Assíncrona. DNP3, IEC 60870-101, MODBUS.
4. Protocolos TCP/IP – IEC 61850 - Rede Mundial, Internet, Ethernet.
5. Ethernet Industrial – Tecnologia TCP/IP. Requisitos de hardware. Determinismo. Redes Privativas isoladas ou com Servidor NAT/Firewall.
6. OPC – Interoperabilidade, conectividade aberta, entre automação industrial e os sistemas empresariais. Conjunto de padrões para interface entre softwares.
Protocolos de ComunicaçãoRegras que governam a comunicação entre dispositivos
eletrônicosCada Tecnologia a seu tempo e com sua função
1. IED1. IED’’s que trocam alguns bits em milissegundos (vs que trocam alguns bits em milissegundos (váálvulas lvulas OnOn/off, chaves de /off, chaves de nníível, vel, pressostatospressostatos, etc.): protocolos do tipo , etc.): protocolos do tipo SensorBusesSensorBuses . Exemplo . Exemplo ––DevicenetDevicenet
2. IED2. IED’’s que trocam informas que trocam informaçções de alguns bytes em dezenas de milissegundos ões de alguns bytes em dezenas de milissegundos (transmissores de pressão, vazão, temperatura, v(transmissores de pressão, vazão, temperatura, váálvulas de controle, etc.): lvulas de controle, etc.): protocolos tipo protocolos tipo FieldBusesFieldBuses. Exemplo: . Exemplo: ProfibusProfibus PA, Hart, PA, Hart, FieldbusFieldbus FoundationFoundationH1;H1;
3. IED3. IED’’s que trocam vs que trocam váários blocos de bytes em dezenas ou centenas de rios blocos de bytes em dezenas ou centenas de milissegundos (relmilissegundos (reléés inteligentes, balans inteligentes, balançças, as, remoteremote IO, etc.): protocolos tipo IO, etc.): protocolos tipo DeviceBusesDeviceBuses. Exemplo: . Exemplo: ProfibusProfibus DP, DP, ControlNetControlNet e e DeviceNetDeviceNet;;
4. IED4. IED’’s que trocam vs que trocam váários dezenas de blocos ou arquivos em segundos (rios dezenas de blocos ou arquivos em segundos (UTRsUTRs, , CLPs, CLPs, SDCDsSDCDs, etc.): Protocolos do tipo , etc.): Protocolos do tipo DataBusesDataBuses. Exemplo Ethernet TCP/IP, . Exemplo Ethernet TCP/IP, ProfinetProfinet..
Diferentes tipos de protocolos em Diferentes tipos de protocolos em funfun çção da quantidade de dados transmitidos:ão da quantidade de dados transmitidos:
Protocolos de Comunicação Abertos Regras que governam a comunicação entre dispositivos eletrônicos
� 4 a 20 mA.� Protocolos seriais.
� IEC 60870 101� DNP3� Modbus� Comunicação Assíncrona
� Protocolo Setor Elétrico com arquitetura de Redes (LAN/WAN),orientado a objetos.
� IEC 61850� Protocolos Industriais com arquitetura de Redes (LAN/WAN),orientado a objetos.
� Profibus� Foundation� DeviceNet
Modelo Mestre / Escravo
Modelo de Rede Multcast
A INFORMAÇÃO NA CADEIA DE AQUISIÇÃO
Telessinal Ponto Simples
0 Aberto1 Fechado
Telessinal Ponto Duplo
0 0 Em trânsito0 1 Aberto1 0 Fechado1 1 Estado Proibido
Telecomando Simples
0 Abrir1 Fechar
Posição Seccionadora ou Disjuntor Telecomando
A IMPORTÂNCIA DA COMPATIBILIDADE ENTRE OS VÁRIOS ELOS
Processo ElétricoFiação – Relação TP TCTrandutores 4 A 20 mA
IED ou UTRConversores A/DBanco de Dados
Protocolo de ComunicaçãoConfiguração do Protocolo Centro de Operação
Banco de DadosCliente da UTRServidor do Aplicativo Gerencial
Telecomando Duplo
0 0 Comando Proibido0 1 Abrir1 0 Fechar1 1 Comando Proibido
Medição KV, A, MW, MVar, Hz
Conversor de12 bits
Conversor de 16 bits
Inteiro
Ponto Flutuante
Escalas de EngenhariaRelações de TP e TCConversores A / D
ByteWordLong Word
Aplicativo GerencialSoftwares Visuais
Agilidade na Comunicação (Throughput)Tempo decorrido entre a deteção de um evento e a atuação de
uma saída baseada em uma decisão lógica.
•1. Taxa de Transmissão•1,2 à 19,2 KBps – IEC 60870101, DNP3•100 Mbps – IEC 61850 – TCP/IP
•2. Eficiência do Protocolo – Overhead – Número total de bytes da mensagem em relação à mensagem útil - dados.
•IEC 60870 101, DNP3, Modbus – otimizados para mínimo overhead•IEC 61850 TCP/IP – pouco otimizado em função das larguras de banda disponíveis atualmente
•3. Modelo da Rede•3.1. ORIGEM / DESTINO•3.2. PRODUTOR / CONSUMIDOR ( Publisher / Subscriber )
( Publicador / Assinante ) IEC 61850
INFORMAÇÃO – 2 Tipos
� 1. Não necessita referência externa : Meu endereço é Rua Dourada 1000, CEP 13.211-111, Jundiaí/SP-Brasil.
� 2. Necessita referência externa : Meu nome éPaulo Oliveira e meu endereço está na lista telefônica.
� No caso 2 a referência externa é a Lista Telefônica, que necessito consultar para achar o endereço do meu amigo. Indexação externa.
2 Exemplos – S/E BAN linha para XAVInformação 1 - Disjuntor está fechadoInformação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV
S/E BAN UTR
Centro de Operação do Sistema
60 kmInformação
01001010
01001010
01001010
01001010
11110010
00011010
01001010
Informação 1 - Disjuntor está fechado – 1 bit
Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV2 Bytes ou 4 números hexadecimal – F21A
Banco de Dados da UTR deve ser compatível com o do SSC ( COS ).
0 aberto1 fechado
n
.
23
24
28
29
30
26
27
25
2 Exemplos – S/E BAN linha para XAVInformação 1 - Disjuntor está fechadoInformação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV
S/E BANUTR Centro de Operação do SistemaO N S
60 kmInformação
01001010
01001010
01001010
01001010
11110010
00011010
01001010
Protocolo DNP 3, IEC 101Linha Serial
Informação 1 - Disjuntor está fechado – 1 bit
Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV2 Bytes ou 4 números hexadecimal – F21A
Banco de Dados da UTR deve ser compatível com o do SSC ( COS ).
0 aberto1 fechado
n
.
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29
30
26
27
25
2 Exemplos – S/E BAN linha para XAV Informação 1 - Disjuntor está fechadoInformação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV
Centro de Operação do Sistema
60 kmInformação
Informação 1 - Disjuntor está fechado
BAN / XCBR1.Pos.stValVai a informação completa, sem necessidade de referência externa.Configura-se na origem e passa um arquivo XML para configurar o computador do COS. Simplifica trabalho de configuração.
Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV
BAN / MMXU / F21A
Banco de Dados da UTR “independe” do Banco de Dados do SSC ( COS ).
2 Exemplos – S/E BAN linha para XAVInformação 1 - Disjuntor está fechadoInformação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV
Centro de Operação do Sistema
60 kmInformação
Informação 1 - Disjuntor está fechado
BAN / XCBR1.Pos.stValVai a informação completa, sem necessidade de referência externa.Configura-se na origem e passa um arquivo XML para configurar o computador do COS. Simplifica trabalho de configuração.
Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV
BAN / MMXU / F21A
Banco de Dados da UTR “independe” do Banco de Dados do SSC ( COS ).
IEC 61850 Rede TCP/IP
Interface RS 232 Conector DB25 – 25 pinos - SERIAL
� Bits de dados -12 V = 1 ou Alto, +12V = 0 ou baixo
� Bits dentro do Byte transmite primeiro o MSB e depois o LSB
� Cada Byte começa com 1 Start Bit Alto e termina com 0 a 2 Stops Bits Baixos
� Desocupada a linha esta Baixa
1 StartBit
1 2 3 4 5 6 7 8
2 stopsbits
MSB Data Byte LSB
Onda Eletromagnética – 300.000 km/segundo
9600 BPS - Bits por Segundo – 873 Bytes por segMensagem de 100 Bytes – 115 msInternet Mega BPS / Giga BPS
DCE1 - CD2 - TXD3 - RXD4 - DTR5 - terra6 - DSR7 - RTS8 - CTS9 - RI
DB9 Femea
DTE1 - CD2 - RXD3 - TXD4 - DTR5 - terra6 - DSR7 - RTS8 - CTS9 - RI
DB9 Macho
ModemRelé de Proteção
PC ou MicroCabo Multipares
COMUNICAÇÃOASSÍNCRONA
Interface RS 232 Ligação Ponto a Ponto
• DCE – Data Communication Equipment – Modem• DTE - Data Terminal Equipment – Relé ou PC-Microcomputador
• Hardware Handshake – se não usado só são necessários 3 sinais•TXD, RXD e Terra. Jumpeados 4 com 5; 6,8 com 20.
•CD – Carrier Detected – avisa o PC que o modem tem uma boa conexão•CTS – Clear To Send – Modem está pronto para receber do PC•DSR – Data Set Ready – avisa o PC que o modem está pronto•DTR – Data Terminal Ready – avisa modem que o PC está pronto•RTS – Request to Send – avisa o modem que o PC quer mandar dados•RI – Ring Indicator – Modem detetou um sinal do outro modem
PC RELÉModem ModemComunicação
AnalógicaSão Paulo Brasília
Comunicação digital Comunicação digital
Exercício 1Diagrama de um Cabo Cruzado
Tx (2)
Rx (3)
RTS (4)
CTS (5)
DSR (6)
DCD (8)
DTR (20)
Gnd (7)
Tx (2)
Rx (3)
RTS (4)
CTS (5)
DSR (6)
DCD (8)
DTR (20)
Gnd (7)
DTE DTE
Exercício 1
Tx (2)
Rx (3)
RTS (4)
CTS (5)
DSR (6)
DCD (8)
DTR (20)
Gnd (7)
Tx (2) CT 103
Rx (3) CT 104
RTS (4) CT 105
CTS (5) CT 106
DSR (6) CT 107
DCD (8) CT 109
DTR (20) CT 108
Gnd (7) CT 102
DTE DTE
Exercício 2Diagrama de um Cabo sem handshake – simplificado - TX com RX, Terra (Ground), jumpers nos conectores 4 com 5 e 6,8 com 20.
Tx (2)
Rx (3)
RTS (4)
CTS (5)
DSR (6)
DCD (8)
DTR (20)
Gnd (7)
Tx (2)
Rx (3)
RTS (4)
CTS (5)
DSR (6)
DCD (8)
DTR (20)
Gnd (7)
DTE DTE
Tx (2)
Rx (3)
RTS (4)
CTS (5)
DSR (6)
DCD (8)
DTR (20)
Gnd (7)
Tx (2)
Rx (3)
RTS (4)
CTS (5)
DSR (6)
DCD (8)
DTR (20)
Gnd (7)
DTE DTE
Exercício 2Diagrama de um Cabo sem handshake – simplificado - TX com RX, Terra (Ground), jumpers nos conectores 4 com 5 e 6,8 com 20.
RS 485 (Recomended Standard ) EIA 485 ( Electronic Industry Association )
� Half duplex, Multiponto ( 32 nós ), 1200 metros.
� Velocidade de 100 K a 10 MBps.
� Única CPU, diversos IHM endereçáveis, compartilham o mesmo cabo.
� Conversor RS232 para 485, isolamento ótico.
� Redes locais muito baratas, multidrop.
� Prover “Rejeição de Modo Comum” com par trançado, e blindagem.
� Topologia recomendada – Daisy Chain
Outras Topologias
BARRAMENTOFunciona mas não é o ideal
Daisy ChainESTRELA
ANELNão usar
CABO para RS 485 (Recomended Standard ) EIA 485 ( Electronic Industry Association )
� Deve ser blindado� Recomenda-se utilizar 3 vias e blindagem – até 1200 m
� Com 2 vias para curtas distâncias – poucos metros� Função do COMUM – equalizar o potencial dos equipamentos conectados
à Rede� Função da BLINDAGEM : proteção contra Ruídos externos� Não utilizar a BLINDAGEM como COMUM, pois colocaria o Ruído
existente como referência
Dado +Dado –Comum(GND)
Blindagem
LAN – WAN – SWITCH (HUB) ROTEADOR
ARPIPADDRES
TABELAROTEAMENTO
LAN 1 LAN 3
LAN 2
WAN
Frame 802.3 MAC e FragmentaçãoCP LLC SNAP Dados – 38 a 1500 bytes CRCOrigem
Aplicação
TCPDatagrama65535 bytes
IPQuadro
1500 Bytes
802.3 MAC
Mensagem com 4000 Bytes
802.3 MAC
IPQuadro
1500 Bytes
TCPDatagrama65535 bytes
Aplicação
Encapsular - TXDesencapsular - RX
Rede
Sincronização
15001500
1000
Destino
LLC – Logic Link Control
SNAP –Subnetwork Access Control
Ethertype
Endereço IPEndereço MAC
Modelo OSI 7 CamadasModelo TCP/IP 4 CamadasModelo 5 Camadas
7. Aplicação : HTTP, Browser, Internet Explorer (Windows), MozillaFirefox (Linux); IPhone, Ipod (Apple); FTP, Telnet, SNMP, Email, PING; SSC Spin, SSC Sage; Softwares proprietários de Relés de Proteção ABB, SIEMENS, AREVA, SEL para Análise de Perturbação
4. Transporte : TCP, UDP
3. Rede : IP ( IPv4, IPv6), ARP, RARP, ICMP
2. Enlace : Ethernet, 802.11, WiFi, HDLC, Token Ring, FDDI, Frame Relay, USART
1. Física : Modem, RS232, RS485, DB 9, DB 25, EIA 422, Bluetooth, USB, UTP, RJ 45
ARP – Address Resolution Protocol
IP MAC10.12.123.1 00:20:af: f2:e7:f1
IP MAC10.12.123.2 08:00:20:a7:41:23
IP MAC
10.12.123.3 08:00:20:f2:e7:fa
ARP – Address Resolution ProtocolO primeiro endereço da Tabela ARP é o dele mesmo
IP MAC10.12.123.1 00:20:af:f2:e7:f1 10.12.123.3 08:00:20:f2:e7:fa10.12.123.2 08:00:20:a7:41:23
IP MAC10.12.123.2 08:00:20:a7:41:2310.12.123.3 08:00:20:f2:e7:fa10.12.123.1 00:20:af: f2:e7:f1
IP MAC
10.12.123.3 08:00:20:f2:e7:fa10.12.123.2 08:00:20:a7:41:2310.12.123.1 00:20:af: f2:e7:f1
Há uma troca automáticade mensagense a Tabela ARP é montada
ARP – Address Resolution ProtocolO primeiro endereço da Tabela ARP é o dele mesmo
IP MAC10.12.123.1 00:20:af:f2:e7:f1 10.12.123.3 08:00:20:f2e7fa10.12.123.2 01:00:5e:a7:41:2310.12.123.4 01:00:5e:ce:a2:3a
IP MAC10.12.123.2 08:00:20:a7:41:2310.12.123.3 08:00:20: f2:e7:fa10.12.123.1 00:20:af: f2:e7:f110.12.123.4 01:00:5e:ce:a2:3a
IP MAC
10.12.123.3 08:00:20:f2:e7:fa10.12.123.2 08:00:20a7:41:2310.12.123.1 00:20:af:f2:e7:f110.12.123.4 01:00:ce:a2:3a
Há uma troca automática de mensagense a Tabela ARP é montada
Adiciono um 4º computador
IP MAC
10.12.123.4 01:00:5e:ce:a2:3a10.12.123.3 08:00:20:f2:e7:fa10.12.123.2 08:00:20:a7:41:2310.12.123.1 00:20:af:f2:e7:f1
PROTOCOLO MODBUS
� Desenvolvido pela Modicon, década de 1970, é uma das
primeiras implementações de protocolos seriais, continua em utilização. Modelo mais simples.
� Não define tipo de dados ou codificação da informação.
� Não define mapeamento padrão.
� Não possui estampa de tempo nativa.
� Mestre/Escravo, 1 mestre e até 247 escravos.
Modelo do Protocolo MODBUS
Aplicação
Físico
Aplicação
Físico
Objeto de dados Ex: S/E BAN Disjuntor 7 abriuMODBUS - Funções e Mapas de MemóriaDisjuntor 7 Aberto - Informação => B 7 0
B 7 0
B 7 0
Encapsular
Coloca a informaçãona Tela do Operadorna S/E ou no COS
12
B 7 0
B 7 0
Desencapsular
Origem - S/E BandeirantesDestino – COS
End crcEnd crc
Resumo da Funções MODBUS
� 0x03: READ HOLDING REGISTER
� 0x04: READ INPUT REGISTER
� 0x05: FORCE SINGLE COIL
� 0x06: PRESET SINGLE REGISTER
� 0x16: PRESET MULTIPLE REGISTER
� 0x07: READ EXCEPTION STATUS
� Existem funções proprietárias
� Existem funções que suportam broadcast (todos os escravos a processam)
MODBUS
� DÚVIDA FREQUENTE
� QUESTÃO DO MAPA DE ENDEREÇOS
� Função 0x04 ( Read Input Register ) : 30001 em diante
(ex: 30015) Transmissão: 30015 –30001 = 14 = 0x0E
� Função 0x03 ( Read Holding Register ) : 40001 em diante
(ex: 40002) Transmissão: 40002 –40001 = 01 = 0x01
� IMPORTANTE
� Não há confirmação de recebimento de dados nativa
� Não existe padronização no formado de dados
� Não existe padronização no mapa de memória
Como Funciona o Meio de Transmissão ?
Onda Eletromagnéticapropagando num par de fios
Circuito AbertoOnda Refletida
Casamento de ImpedânciaTerminadores
Atenuação - Onda EstacionáriaAtenuação – Dissipação da energiana impedância do cabo
Área ClassificadaSegurança IntrínsecaÀ prova de explosãoFISCO – Fieldbus IntrinsicallySafe ConceptyIgnition Curves
Aplicação Típica - Malha de controle
Transmissor(Sensor)
Controlador(PID) Atuador
(Posicionadorda Válvula)
NívelPosição
da Válvula
Entrada Controle Saída
ProcessoProcesso
Realimentação
NívelObjetivo
ParâmetrosControle
Limites
Transmissâo contínuaAcesso esporádico
REQUISITOS SISTÊMICOS FUNDAMENTAIS 1. O DADO SÓ TEM IMPORTÂNCIA NA HORA QUE FOI GERADO.REDE CONFIÁVEL. RETRANSMISSÕES NÃO SÃO A SOLUÇÃO.DETERMINISMO.2. INDEPENDÊNCIA DE FORNECEDOR COMO NA TECNOLOGIA 4 A 20 mA
IEC 61158 @ 31.25 kbit/s
IEC 61158 - DLL
IEC 61158 - FMS
H1
USER LAYERDD – IEC 61804-2
AUTOMAÇÃO COMUNICAÇÃO
Transferir a informação de um ponto a outro
IEC 61158 @ 31.25 kbit/s
IEC 61158 - DLL
IEC 61158 - FMS
H1
USER LAYERDD – IEC 61804-2
1. Vazão 90 cm3/seg
90
90FMS
90FMSDLL
90FMSDLLCamada
Física
Encapsular
2. Vazão 90 então abre a válvula
90
90
90
90FMSDLL
FMSDLL
FMS
Desencapsular
Objeto de Dados
para compelir ospara compelir ospara compelir ospara compelir os
Camada de Enlace de Dados – DLL Data Link Layer
Estou VivoVarredura a cada 150 ms3 falhas sai da Live List( 450 ms )
Camada de Enlace de Dados – DLL Data Link Layer
Subcamada de Acesso aoBarramento – FieldbusAccess Sublayer
Trocador de Calor
1. Vapor flui pela tubulação espiral, inserida num recipiente,onde passa o fluído do processo.
2. Objetivo é aquecer o fluido do processo até uma temperaturadefinida.
PROCESSO DE CONTROLE CONTÍNUO - CASCATAO controle está distribuído na rede, não depende de umprocessador central. Conceito de Macrocycle
Um únicobarramento
Fluxode Vapor
Fluidodo Prpcesso
Temporização do controle em cascata - Macrocycle
SENSOR DETEMPERATURADispositivo inteligente,emite um “bad status”, passa controle para manual.Envia mensagem para o supervisório.
SENSOR DE FLUXOPosiciona a Válvula de acordo com critérios de segurança pré- estabelecido.Abre totalmenteFecha totalmenteMantém a última posição
CONTROLE EM CASCATAFalha no SENSOR DE TEMPERATURAFalha no SENSOR DE FLUXO
Um únicobarramento
CONCEITO DE SEGURANÇA DE REDEFAIL SAFE FAULT STATE
Fluxode Vapor
Fluidodo Prpcesso
CONTROLE DISCRETO
Processo de enchimento de galões com líquido, sobre u ma esteira rolante
Redes de Campo – FF Schedule Building Tool
Software Configurador de Rede
Network Segment Execution TimeMacrocycle - Orientações da Norma
� Deixar 50% da banda (tempo) para Unscheduled.
� Deixar “spare time” – Totaliza - 70 % para Unscheduled.
� Constatações Estatísticas – Loop de Controle deve ser 6 vezes mais rápido que o processo.
� Tempo de um Bloco de Função – Multiplicar por 3.
1. Profibus = Process Field Bus
2. Criado por iniciativa da Siemens, Bosch, e
Klockner-Moeller em 1987
3. Norma EN 50170/50254
4. Controle de Processos pelo padrão Profibus PA
5. Segurança Intrínseca IEC 61158-2 no padrão PA
6. Tendência de integração de camadas (DP, PA e
Profinet).
PROFIBUS
Redes de Campo – ProfiBus DP
PROFIBUS
PROFIBUS
PROFIBUS
- PA
- DP
PROFIBUS
Redes de CampoDevice Coupler
Device CouplerTRUNKGUARD
Proteção Contra Curto Circuito
Dispositivo
Logica
LEDOFF
LEDON
Derivação (Spur)
Tronco
Dispositivo consome aCorrente Normal, a chave estáFechada, a derivação está ativa
LED VERDE ONLED VERMELHO OFF
Redes de CampoDevice Coupler
Device CouplerTRUNKGUARD
Proteção Contra Curto Circuito
Circuito Lógico deteta uma falha, abre a chaveA carga em falha é desconectada do seguimento
LED VERDE OFFLED VERMELHO ON
Logica
FALHA
Device
Tronco
Redes de CampoDevice Coupler
Device CouplerTRUNKGUARD
Auto Terminação
Circuito de Auto Terminação – LigadoUltima caixa do Segmento
SAÍDADOTRONCO
ENTRADADO TROCO
Logica
TERMINATOR
LED
Redes de CampoDevice Coupler
Device CouplerTRUNKGUARD
Auto Terminação
Circuito de Auto Terminação – DesligadoSegmento com mais dispositivos
Logic
TERMINATOR
LED
Segment Communications
ENTRADADO TROCO
SAÍDADOTRONCO
DeviceNetConceitos Fundamentais� Planejamento e Instalação
� CAN – Controller Area Network
� CIP – Commom Industrial Protocol
� Redes Seguras
� DeviceNet Baseline and Test Report
� ODVA – Open DeviceNet Vendor Association
• Desenvolvida pela ALLEN BRADLEY em 1994 e ébaseada no protocolo CAN dos anos 80.
• Protocolo CAN foi desenvolvido pela BOSCH, paraa indústria automobilística.
• Principais Fornecedores de Chip CAN – Intel, Motorola, Philips, Nec, Hitachi, Siemens.
DEVICENET RESUMO
• É uma rede de comunicação de baixo custo idealizada para interligar equipamentos industriais utilizando o mesmo meio físico. Um par de fios. –velocidade 500 khz
• DEVICENET é um protocolo aberto e difundido pela ODVA
• Da mesma família CIP do DeviceNet : • ControlNet – 5 MBits/s – 1997• EtherNet IP 2000• Network Safe 2004
DEVICENET RESUMO
DEVICENET RESUMO
Terminal múltiplo
Terminal “T”
Segmentos da linha tronco-conectores moldados
Derivações- conetoresmoldados
- 0 a 20 ft.
Conectoresda linha troncoinstalados nocampo
- rosqueados- prensados
CONEXÕES SELADAS
TroncoTronco
DerivaçõesDerivações
Terminais podem ser montados em painéis ou caixas de junção
Derivações comcomprimento zeroSuporte a conexões temporárias
CONEXÕES SELADAS
Dispositivo 1Valor Medido = Peso1
Um objeto do modelo CIP
Peso1CIP
CAN
Peso1
CAN
TRATRA
Peso1TRA
Meio FísicoDeviceNet
Cabo com 2 pares + 1 condutor blindagem : 1 par para Comunicação e outro para a Fonte de Alimentação
CAN
TRA
CIPEncapsularDesencapsular
Peso1TRACAN
Peso1TRA
Peso1
Aparece no visor eArmazena em Banco de Dados
Dispositivo 2
CamadaFísica
CamadaFísica
DEVICENET
1. Desenvolvido pela Phoenix Contact, da Alemanha2. Várias outras empresas fabricam produtos
compatíveis3. Está sendo padronizado pela DIM e pela IEC4. Usado para interligação de sensores e atuadores a
um elemento inteligente (CLP, CNC, etc.)4. Norma DIN 19258 e em 2000 atende a IEC 611585. Scaners para PLC ou diretamente em PC através de
software específico6. Única rede com scan de todos os escravos em um
único ciclo
INTERBUS
INTERBUS
INTERBUS
FRAME DE DADOS - INTERBUS
INTERBUS
1. Actuator/Sensor Interface (AS-I)
2. Desenvolvida por um consórcio de 11 empresas em1992 lideradas pela Siemens, Festo e Turck.
3. Usada para interligação de elementos binários(sensores, atuadores, botões liga/desl., relés, etc.) a um elemento inteligente (CLP, CNC, PLC, PC, etc.)
4. Norma IEC 50295 e IEC 62026
5. Pode ser interconectada com CAN, Profibus, FIP, Interbus, RS-232, RS-485, etc.
6. Na versão 2.1 conecta até 62 elementos incluindodados analógicos.
ASI
Standard PLC andstandard master
Safety monitor Safe emergency stop button
ASipower unit
Safe position switch
Safe light barrier
Standard module
Safemodule
Standardmodule
ASI
ASI
AS-Interface-conector vampiro
Os chips para a versão 2.1 da rede ASI são produzidos por dois consórcios distintos: Siemens e Festo desenvolveram em conjunto o chip SAP4. 1, pino a pino compatível com o chip SAP4, e o consórcio de oito outros membros (Bosch, Hirsch Mann, ifm electronic, Leuze, Lumberg, Klockner Moeller, Pepperl+Fuchs and Schneider Electric) desenvolveu o chip A2SI.
Ambos os chips proporcionam todas as funcionalidades da version 2.1.
ASI
Protocolo HART
Protocolo HART
HART funcionamento
WIRELESS - Acesso a informações antes inacessíveis por critérios econômicos
LAN Wireless
HUB, SWITCH
CSMA/CD - ETHERNETMODULAÇÃO BANDA BASEMAC ADDRESS, ARP.
Física
EnlaceTCP/IP
Aplicação
LAN – Cabo UTP
Meio físico único, onde todo mundo fala. Necessita de um mecanismo para organizar a sequência de quem fala.
CSMA/CAOFDM*/QAMFHSS/DSSS
*Diferencia os usuários pelasfrequências (grupos) ortogonais.(equivalente ao MAC Address ).
Meio físico único, onde todo mundo fala. Necessita de um mecanismo para organizar a sequência de quem fala.
2,4GHZ
Enlace
**
**STAR, MESH, CLUSTER TREEFísica
Modelo do Protocolo
Aplicação
Enlace
Físico
Aplicação
Enlace
Físico
Objeto de dados Ex: S/E BAN Disjuntor 7 abriuObjeto IEC Classe 1 Tipo 30 ConteúdoDisjuntor 7 Aberto - Informação => B 7 0
B 7 0
B 7 0ENL
Encapsular
Coloca a informaçãona Tela do Operadorna S/E ou no COS
12
B 7 0
B 7 0
ENL
Desencapsular
Origem - S/E BandeirantesDestino – COS
Dados de Aplicação
Inicio (68H)
L
Controle
Fim (16H)
Checksum
L
Inicio (68H)
Endereço (opc.)
Dados
Application
Service
Data
Unit (ASDU)
Link
Service
Data
Unit (LSDU)
Protocol
Data
Unit (PDU)
Camada de Aplicação
Comando de Interrogação Geral
Tipo = 100
Estrutura variável= 1
Endereço do objeto de informação = 0
Causa (6=ativação, 7=confirmação)
Endereço comum da ASDU = 1
Qualificador da Interrogação = 20 (global)
TX: 68 09 09 68 73 06 64 01 06 01 00 00 14 F9 16RX: 68 09 09 68 08 06 64 01 07 01 00 00 14 8F 16
ASDU
LSDU
PDU
Semântica dos TIPOS de Informação -- ID TipoInformações de ProcessoDireção de Monitoração
� <1>:= Ponto simples M_SP_NA_1
� <2> :=Ponto simples com etiqueta de tempo M_SP_TA_1
� <3>:=Ponto duplo M_DP_NA_1
� <4>:=Ponto duplo com etiqueta de tempo M_DP_TA_1
� <5>:=Posição de passo M_ST_NA_1
� <6>:=Posição de passo com etiqueta de tempo M_ST_TA_1
� <9>:=Medida, valor normalizado M_ME_NA_1
� <30>:=Ponto simples, etiqueta CP56Time2a M_SP_TB_1
� <31>:=Ponto duplo, etiqueta CP56Time2a M_DP_TB_1
Semântica dos TIPOS de Informação -- ID TipoInformações de ProcessoDireção de Controle
� <45>:=Comando simples C_SC_NA_1
� <46>:=Comando duplo C_DC_NA_1
� <47>:=Comando aumentar/diminuir passo C_RC_NA_1
� <48>:=Comando set point, valor normalizado C_SE_NA_1
� <49>:=Comando set point, valor em escala C_SE_NB_1
� <50>:=Comando set point, ponto flutuante C_SE_NC_1
� OBS: Estas ASDUS exigem confirmação e devem ser espelhadas na direção de monitoração, com diferentes causas de transmissão.
� ASDUs do IEC 101
� e complementares
� 4.Aplicação
� 3.Transporte-TCP
� 2.Internet-IP
� 1.Física
� ethernet-MAC add
� ASDUs do IEC 101
� e complementares
� 4.Aplicação
� 3.Transporte-TCP
� 2.Internet-IP
� 1.Física
� ethernet-MAC add
LAN
CAV_Dj1_0_1
TCP
CAV_Dj1_0_1
CAV_Dj1_0_1
CAV_Dj1_0_1
TCPIP
TCPIPMAC
Encapsular
IEC 60870 104
DNP3.0
� DNP - Distributed Network Protocol - GE Harris
� Utiliza camada de enlace do IEC 60870-5-2
� Transferido para o grupo DNP em 1993 (www.dnp.org)
� Dominante na América do Norte
� Conjunto de Documentação
� DNP V3.0 Data Object Library
� DNP V3.0 Application Layer Specification
� DNP V3.0 Transport Functions
� DNP V3.0 Data Link Layer
Modelo do Protocolo
Aplicação
Transporte
Enlace
Físico
Aplicação
Transporte
Enlace
Físico
Objeto de dados Ex: S/E Cabreúva Disjuntor 1 abriuDNP 3 - Objeto 1 Variação 2 Qualificador 1 Disjuntor 1 Aberto - Informação => C 1 1
C 1 1
C 1 1TRA
C 1 1ENL
Encapsular
Coloca a informaçãona Tela do Operadorna S/E ou no COS
1
2
C 1 1
C 1 1
C 1 1
ENLTRATRA
TRA
Desencapsular
Origem - S/E CabreuvaDestino - COS
( fragmentação )
Estrutura Simplificada de um Protocolo
ID
x BYTES
Destino
x BYTES
Origem
x BYTES
Dados Úteis
x BYTES
Fim
x BYTES
Formato FT3Start05
Start64
Comprimento
(lenght) DestinoControle Destino OrigemOrigem crc1 crc2
2 bytes 2 bytesTotal = 10 bytes
Visão panorâmica do DNP3
Menagem DNP3 com 750 bytes
Aplicação
Camadas
Pseudo Transporte
Enlace
250bytes 250bytes 250 bytesTH TH TH
...Até 16 blocos com 18 bytes.O último bloco fica com o númerode bytes quebrado.Formato FT3
Exemplo
TH
Bloco zero com 10 bytes
Tipos de Leituras de Dados
� Quiescent Operation� Escravo envia dados espontaneamente. Mestre não faz
varredura
� Unsolicited Report-by-Exception Operation� Espontâneo + Integridade (Classe 0)
� Polled Report-by-Exception Operation� Evento (Classe 1,2,3) + Integridade (Classe 0)
� Polled Static� Integridade (Classe 0)
Níveis no DNP V3.00
� Nível 1� Descreve os requisitos mínimos do protocolo para
comunicação entre uma estação mestre e um IED� Nível 2
� Descreve os requisitos do protocolo, ligeiramente maior que Nível 1, que pode ser implementado tipicamente entre uma estação mestre e um grande IED ou UTR
� Nível 3� Descreve os requisitos do protocolo, maior que Nível 2,
que pode ser implementado entre uma estação de mestre e uma UTR mais avançada
Exemplo
RX:
05 64 1E 44 00 00 01 00 16 0D E6 E8 81
00 00 20 02 17 04 0A 01 2F 0A 00 01 6503 86 65 06 01 4E 0C 03 01 B0 FD 6C 88
Obs: Objeto 32 variação 2 -> Objeto analógico de 3 octetos
Analógico 16 bits Flag - 01 = on line
Header TH
IIN OBJ
ApplicationFINFIRSeq
81 = Response
Qualificador QuantidadeÍndice 8 bitsFlag 8 bitsValor 16 bits
Objeto
�Objeto – Indica o tipo de dados
�Binary Input
�Binary Output
�Analog Input
�Analog Output
�Counters
Estrutura do Biblioteca DNP
� Binary Input – Objetos de 1 - 9
� Binary Output – Objetos de 10 - 19
� Counters – Objetos de 20 - 29
� Analog Input – Objetos de 30 - 39
� Analog Output – Objetos de 40 – 49
� Time – Objetos de 50 – 59
� Class – Objetos de 60 – 69
Variação
� É a forma como são transmitidos os dados.� Valor Analógico 16 bits
� Valor Analógico 32 bits
� Ponto Digital sem Estampa de Tempo
� Ponto Digital com Estampa de Tempo
Camada de Aplicação - QualifierComo o campo Range será interpretado
Pergunta 1 – Forneça as Medições ( objeto 30 variação 2 ) do endereço 25 ao endereço 28.
Pergunta 2 –A partir do endereço 25 forneça 3 Medições
Pergunta 3 – Forneça as Medições 25, 28, 47.
Resposta 1 – 25 01 02 03
Resposta 2 – 25 01 02 03
Resposta 3 – 25 01 28 02 47 03
Comentários Gerais Protocolos SeriaisIEC 60870 101 - DNP 3 - MODBUS
� Custos altos nos processos de engenharia. Cada protocolo tem a sua própria estrutura de representação de dados. US$ 28 Bi foram gastos no mundo em 1998. Publicação Forrester Inc. Gateways.
� Muitos protocolos – Limitação da interoperabilidade. Diferentes funcionalidades.
� Protocolos Proprietários – Dificultam o uso de ferramentas de mercado e do seu desenvolvimento.
� Diferentes padrões entre América, Europa e Ásia.
� Perfil do Protocolo – Profile
� Procedimentos de Certificação
� Mercado Global requer :� Redução de custo e competição.
� Padrões abertos que protejam os investimentos de ob solescência rápida no futuro.
GOMSFE - Generic Object Model Substation Feeder Equip.MMS - Manufacturing Message Specification
� UCA/IEC 61850
� GOMSFE
� CASM
� MMS
� 4.Aplicação
� 3.Transporte-TCP
� 2.Internet-IP
� 1.Física
� ethernet-MAC add
� UCA/IEC 61850
� GOMSFE
� CASM
� MMS
� 4.Aplicação
� 3.Transporte-TCP
� 2.Internet-IP
� 1.Física
� ethernet-MAC add
LAN
CAV_Dj1_0_1
TCP
CAV_Dj1_0_1
CAV_Dj1_0_1
CAV_Dj1_0_1
TCPIP
TCPIPMAC
Encapsular
Dispositivo Lógico / Nó Lógico / Objeto de Dados
IEC 61850 FAQs – Perguntas frequentes
� Esta tecnologia vai se tornar realidade ou é mais um vaporware ? AssetManagement ? Gerenciamento de Ativos ?
� Por que devemos utilizá-la ? Que vantagens teremos ?
� Eu entendo de proteção, agora necessito entender de re des
de computadores ?
� Eu entendo de redes de computadores, agora necessito entender deproteção ?
� O IEC 61850 é um protocolo de comunicações ? Ora, entã o que o pessoal de comunicações cuide dele.
� Por que misturar proteção, supervisão, redes ? Estávamos tão bem, cada um no seu mundo. É realmente necessário ?
� Estamos abrindo um buraco na segurança ?
� E os algorítimos de proteção, estudos, ordens de ajust e, lógicas de controles e intertravamentos ?
IEC 61850 Conceitos Essenciais
� Automação da Subestação é uma rede de computadores. Relés de proteção, oscilógrafo, controles de bay, supervisório, etc, possuem endereço IP, MAC Address, etc .
� IEC 61850 codificou a informação . Transporte ficou com TCP/IP.
� Dispositivo Lógico/Nó Lógico/Objeto de Dados.
� GOOSE – General Object Oriented Substation Event –TRIP
Só na Barramento de Estação local da S/E, entre relés de um esquema de proteção, não roteável, possui requisitos rígidos d e velocidade e determinismo.
� Redes mistas, anel de fibra ótica, com protocolo RSTP para Relés de Proteção, e estrela (switch) concentrando os demais equipamentos. Gerenciamento de Ativos. Asset Management.
� Projetar/configurar. Ferramentas de software. Configuradores SCL. Arquivos de Configuração - .ssd, .icd, .scd, .cid
Arquitetura TradicionalSeccionadora, Disjuntor, Transformador
Fiação de Cobre
Unidade TerminalRemota
440 KV
138 KVPonto a Ponto
Serial
Proteção da AltaControle de Bay
Oscilografia
Proteção da Baixa
cos
Nova Arquitetura Hardware/Topologia de Rede Seccionadora, Disjuntor, Transformador
Unidade Terminal RemotaServidor de Subestação
Supervisório Local
440 KV
138 KVCOS
Ponto a PontoSerial
Fibra Ótica
Proteção da AltaControle de Bay
Oscilografia
Proteção da Baixa
Dispositivo Lógico / Nó Lógico / Objeto de Dados
440 KV
138 KV
TP
TCTVTR
TCTR
XCBR
ATCC
XSWI
MMXU
PDIS
GGIOGAPC Ultrapassou Limite
Superior
RFLO
RDRE
Distancia
MW
Registrador
XARC Soma corrente
GGIO - Generic input/OutputGAPC - Automatic Process ControlXARC - Monitoring for arcsRFLO - Fault LocatorRDRE - Disturbance RecorderATCC - Tap changer controller
BAN01/Q0CSWI1.Pos.ctlVal
Nome do Dispositivo Lógico (livre)
Prefixo do nome do Nó Lógico (livre)
Nome do Objeto de dados (fixo)
Nome do atributo (fixo)
Classe Nó Lógico (fixo)
Sufixo do nome do nó lógico (livre)Nomedo NóLógico
IEC 61850-7: Mensagempara abrir/fechar um disjuntor
IEC 61850 – Conceito GOOSE
GOOSE Sender Device X
GOOSE ReceiverDevice Y
GOOSE ReceiverDevice Z
Eth
erne
t
O dispositivo envia informação em multcastO assinante (subscriber) recebe esta mensagem. Não assinan tesa ignoram.Z é um assinante e recebe a mensagem. Y não é um assinan te e a ignora.
EXEMPLO:
GO
OS
Em
essa
ge
GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event)
Tagged Internet FrameQuadro de Internet com TAG de
Prioridade
Pre7
SFD1
DA6
SA6
TAGPrior
4
ET2
CPTP2
MAC - Dados46 – 1500 bytes
FCS4
•Tag de Prioridade ( Virtual LAN)2 bytes para identificação do TAG – IEEE 802.1QVirtual Bridge Local Area Network
2 bytes para informação de controle do TAG
• EtherType – 2 bytes para indicação do tipo de protocol ono pacote ethernet
Comparação entre Protocolos - * R=Redes *B=Bit+byte+packet *TR=Tempo Real
Mestre/EscrNão4 kL. BandaProtocoolProt / byteDezenas milis
4 a 20 mACarrier
SupervisãoHart
Mestre/EscrNão127 KL. Banda
Velocidade
ProtocoloProt / bitMilisegBarram Prop2 fios
Controle
ManufaturaASI
Mestre/EscrNão500 KL. Banda
Velocidade
ProtocoloProt / bitMilisegRS485 4 fios EIA 422
Controle
ManufaturaInterbusFieldbus
Cli/Serv EthMultcastCSMA/BA
Não500 K
100 M
Simplific. Eng.
Tec. Objetos
Arquitetur
AutomaçCSMA/BA*R *B
Dezenas milis
Barr Campo
4 fios
Controle
ManufaturaDevicenetFieldbus
Cli/Serv EthMultcast Tok
Não31,25 K
100 M
Simplific. Eng.
Tec. Objetos
Arquitetur
AutomaçToken*R *B
Dezenas milis
Barr Campo
2 fios PA
Controle
ProcessoProfibus DP PA Fieldbus
Cli/Serv EthMultcast LAS
Não31,25 K
100 M
Simplific. Eng.
Tec. Objetos
Arquitetur
AutomaçLAS*R *B
Dezenas milis
Barr Campo
2 fios
Controle
ProcessoFoundationFieldbus
Cli/Serv EthMultcast Eth
Sim100 M Proteção
Simplific. Eng.
Tec. Objetos
Arquitetur
Automaç
CSMA/CD *R *B
Seg, mili, microseg
Ethernet GOOSE
Automação Scada*TR
IEC 61850 Autom. Substação
M/M Mest/EscSim9,6 KL. BandaBal DesProt / byteSegRS232 EtherScada*TRDNP3
Mestre/EscrSim9,6 KL. BandaP. DesbalProt / byteSegEthernetScada*TRIEC104
Mestre/EscrSim9,6 KL. BandaP. DesbalProt / byteSegRS232 Scada*TRIEC103Proteção
Mestre/EscrSim9,6 KL. BandaP. DesbalProt / byteSegRS232SCada*TRIEC101
Mestre/EscrNão9,6 KL. BandaP. DesbalProt / byteSegRS485, 232Scada*TRModbus
MODELOSOE NAT
FREQ HZ TIPICA troughput
REGRA DE DESENVOLV
CLASSI -FICAÇÃO
ACESSOMENSAGtroughp.
TEMPOtroughput
CAMADA FÍSICA
USO
PRINCIP
CAMADA APLICAÇÃO
Comparação Topologias - Barramento – Estrela – Anel
Malha - MeshPonto de AcessoNão aplicávelFHSS / DSSSWIRELESS
Não aplicávelCaso Particular Barrament. Deriv.
Tronco (trunk) e Derivações (spurs)
4 fios 2Alim 2Sinal 2 fios
Interbus Fieldbus
ASI
Não aplicávelSó para camada física Ethernet
Tronco (trunk) e Derivações (spurs)
4 fios / Ethernet 2 Alim / 2 Sinal
Devicenet Field
Não aplicávelSó para camada física Ethernet
Tronco (trunk) e Derivações (spurs)
2 fios Ethernet Alim+Sin juntos
Profibus DP PA Fieldbus
Não aplicávelSó para camada física Ethernet
Tronco (trunk) e Derivações (spurs)
2 fios Ethernet Alim+Sin juntos
FoundationFieldbus
Tagged Switches RSTP – Fibra Ótica
Tagged Switches Cabo UTP / Fibra Ót
Cascata de switchEthernet TCP/IP Redundância
IEC 61850 Autom. Substação - LAN
Não aplicávelMestre/Escravo TCP/IP é só meio
Cabo coaxial -obsoletoEthernet TCP/IPIEC 104, DNP3-TCPIP - LAN
Não aplicávelMestre/Escravo Computador/UTR
Não aplicávelRS232 USART
MODBUS, IEC 101, 103, DNP - Full, Half
Não aplicávelCaso Particular Barrament Deriv.
Daisy Chain – sem derivações–Recom
RS 485 - 4 ou 2 fios, Alim+Sinal
MODBUS ( FullDuplex-4 fios, HalfDuplex-2 fios)
AnelEstrela BarramentoCamada Física
COMPARAÇÃO DE TOPOLOGIAS Barramento – Estrela – Anel
MédioMaior – “home run cabling” caro
MenorCusto PiorMelhorMédiaLatência
MelhorMédioPior – switches em cascata
Redundância
AnelEstrela Barramento
Latência – Tempo de um pacote internet sair de um IED e chegar ao destino.
Utilizar Switches com RSTP, VLAN, QoS (prioridade pa ra GOOSE ), Tagged Ethernet, segregação de redes de Alt a Prioridade.